【重點摘要】

1. 硅光電二極管的剛性結構給大面積低成本擴展帶來困難,限制了它在一些新興應用中的使用。

2. 通過詳細的表征方法,揭示了基于聚合物體異質結的有機光電二極管中,收集電荷的電極對低頻噪聲的影響。

3. 經過優化的有機光電二極管在可見光范圍內的各項指標(響應時間除外)可媲美低噪聲硅光電二極管。

4. 溶液處理制備的有機光電二極管提供了一些設計機會,例如用于生物識別監測的大面積柔性環形有機光電二極管,其性能可達到硅器件的水平。

【硅光電二極管的局限性】

數十年來,硅光電二極管一直是光檢測技術的基石,但它們的結構剛性給大面積低成本擴展應用帶來許多局限。這給新興的光電檢測應用帶來挑戰。為實現更大面積的光電檢測以及柔性基片上低成本光電二極管的制作,我們需要尋找新的材料體系。

【有機光電二極管的低頻噪聲特性】 

有機光電二極管常基于聚合物制成,具有結構靈活性等優勢。研究人員通過詳細的表征方法學,考察了這類二極管低頻電子噪聲的來源,發現負責收集電荷的電極對低頻噪聲有重要影響。這為設計低噪聲的有機光電二極管奠定了基礎。

【有機光電二極管的指標表現】 

經過優化設計后,有機光電二極管的大多數指標已可達到商用硅光電二極管的水平,特別是在可見光范圍內。例如響應度、靈敏度、線性度、功耗等。它們的響應時間仍比不上硅二極管,但對大多數視頻速率的應用已經足夠。

【應用展望】 

溶解性的有機光電二極管制造過程為它們帶來了許多應用機會。例如,大面積柔性的環形有機光二極管可用于生物識別監測。此類二極管成本低,可在多種非平面基片上制作,性能已達商用硅器件的水平。它們有望在新興的光電子學領域大放異彩。

圖1 矽光電二極體(SiPD)與有機光電二極體(OPD)性能比較

(A) OPD 幾何結構。(B) 測量所得光譜響應度。EQE,外量子效率。(C) 測量所得光照度依賴的光電流和響應度。LDR,線性動態範圍。(D) 測量所得均方根噪聲電流、噪聲當量功率(NEP)和特定探測度統計框圖(N 代表數據點數量)。Max,最大值;Min,最小值。

圖2 SiPD 和 OPD 中的穩態暗電流密度和電子噪聲特性

(A) 電壓依賴的暗電流密度。Exp.,實驗值。(B) 反向偏壓下,建模和測量所得均方根噪聲電流比較。

圖3 SiPD 和 OPD 中的時域響應特性

(A) 負載電阻依賴的10-90%上升和下降響應時間。(B) 525 nm 下頻率依賴的規範化響應度。

圖4 彎曲OPD (Flex-OPD) 及其在光電容積圖(PPG)中的應用

(A) Flex-OPD器件幾何結構。PES,聚醚砜。 (B) 小面積、大面積 Flex-OPD 和大面積 OPD 中的均方根噪聲電流、響應度、NEP 和特定探測度統計框圖。(C) S1133 SiPD 和環形 Flex-OPD PPG 陣列原理圖(上);手指反射模式 PPG 信號的 SiPD 和不同功率紅色 LED 驅動的環形 Flex-OPD PPG 陣列比較(下)。